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材料|绿色节能背景下碳气凝胶的发展及应用

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前言
气凝胶由于其高比表面积、高孔隙率、低密度和低热导率等优异性能 ， 已被广泛应用于隔热保温、吸附、催化和能源等领域 ， 但随着气凝胶应用领域的越发广泛 ， 普遍应用于650 ℃及以下隔热领域的传统SiO 2 气凝胶在高温下结构易坍塌 ， 致使材料致密化 ， 从而丧失其优异性能 ， 其他氧化物基气凝胶的高温热稳定性也有待进一步加强 ， 高温局限性极大地限制了氧化物基气凝胶在高温领域的应用 。
碳化物是一种高硬度、高熔点和化学性质稳定的化合物 ， 一般通过原位生成法制得 ， 在制备过程中控制工艺参数将碳化物制成气凝胶结构 ， 可提升气凝胶材料的使用性能 ， 与传统的二氧化硅气凝胶相比 ，碳气凝胶具有更高的强度、更大的孔隙率、更小的颗粒直径、更大的比表面积及更低的高温热导率 ， 在催化剂载体、电容器及吸附材料等领域具有广阔的应用前景 。
据研究报告指出 ， 2016 年全球气凝胶年市场价值已达5. 129 亿美元 ， 按照复合年增长31. 8%估算 ， 到2026 年全球气凝胶年市场价值将达80 多亿美元 。 碳气凝胶及其衍生物作为气凝胶市场的重要组成部分 ， 已经成为一种业界重点发展的新型气凝胶材料 。
碳气凝胶的制备
碳气凝胶（CAs）制备来源广泛 ， 合成路径多样 。 不同前体一般经过溶胶－凝胶、溶剂交换、理想干燥得到有机气凝胶 ， 然后经热解碳化得到碳气凝胶 。 CAs的制备首先要选择合适的前体 ， 在制备过程中通过改变物料配比、催化体系、凝胶化时间和引入造孔剂等手段调控气凝胶特性 。
生物质基前体符合现代绿色化学理念 ， 普遍具有生物相容性、生物可降解性等特点受到广泛关注 。 冬瓜皮、秸秆、丝瓜等前体因廉价易得、自掺杂 N、S、O 元素等特点已用作 CAs 制备 。 另外 ， 还有研究者通过引入其他物质如纳米线、纳米管、石墨烯等材料形成复合碳气凝胶 ， 赋予碳气凝胶目标的孔结构和弹性 。
凝胶的干燥包括去除湿凝胶粒子间的分散相( 水) 和填充新分散相( 气体) 两步 ， 常采用 3 种干燥方法：超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥 。 最成熟的方法是 超临界流体干燥技术 ， 即对加压容器升温 ， 使温度和压力超过干燥介质的临界点 ， 介质变成超临界态的流体 ， 表面张力不复存在 ， 大大减弱分子间的相互作用力 ， 之后将这种超临界流体从压力容器中缓慢释放 ， 即可达到去除凝胶内剩余溶液而不改变凝胶结构的目的 。冷冻干燥常见于生物基碳气凝胶的干燥过程中 ， 在真空或者负压条件下 ， 直接将凝胶中的水分子升华 ， 可处理量大 ， 工艺直接 。常压干燥即在大气压下直接干燥样品 ， 可以通过引入能大大降低溶剂表面张力的介质或提升凝胶本身强度来减少对孔结构的破坏 ， 常见的溶剂有乙醇 ， 丙酮、异丙醇等 。

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